干旱脅迫對紫丁香幼苗抗氧化系統的影響

李 強， 路雪梅

(東北林業大學園林學院，黑龍江哈爾濱 150040)

水分是限制植物生長和分布的重要環境因子，隨著全球氣候的暖化，植物生長發育對干旱脅迫的響應和適應受到了越來越多的關注[1]。干旱脅迫誘導植物體內發生各種生理生化反應，造成活性氧的代謝失衡，引起細胞膜脂過氧化，導致生物膜受損，破壞蛋白質、核酸等的分子結構，從而對植物產生毒害[2-3]；而增強抗氧化系統是植物體適應干旱脅迫的重要機制[4-5]。抗氧化酶、抗壞血酸和谷胱甘肽是植物抗氧化系統的重要組成部分[5]，因此研究干旱脅迫對紫丁香(Syringaoblata)抗氧化系統的影響，對揭示紫丁香的抗旱能力和機制具有重要意義。

紫丁香是我國重要的城市園林綠化植物，具有廣泛的應用價值。水資源匱乏是我國城市發展所面臨的主要問題之一，在缺水地區紫丁香的栽培應用受到了極大限制[6]。因此研究干旱脅迫下紫丁香抗氧化系統中主要抗氧化酶和抗氧化物的變化規律，了解紫丁香的抗旱性，促進紫丁香在干旱及半干旱地區的推廣應用，提高紫丁香在生態恢復和城市園林綠化等方面的應用價值，可為合理應用紫丁香提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

紫丁香的種子于2015年在哈爾濱市第二苗圃內采收。盆缽規格為51 cm×38 cm×35 cm(上徑×下徑×高)，盆中裝入10.3 kg試驗用土。試驗所用土壤為黑色泥炭土，購自哈爾濱市和平園林綠化公司，經消毒和過篩處理。試驗用土pH值為7.6，有機質含量為145 g/kg，全氮含量為5.6 g/kg，全磷含量為12.3 g/kg，全鉀含量為32.8 g/kg。試驗前測得試驗用土的最大田間持水量為46.7%。

1.2 試驗設計

于2015年6月在東北林業大學苗圃內播種，于同年9月移入溫室內。2016年5月15日，選擇生長發育良好的紫丁香幼苗栽入盆內，每盆內移入1株幼苗，進行正常養護，每處理移植25盆。待移植的紫丁香恢復正常生長后，于2016年7月5日開始控水，試驗共設4組處理，分別為對照(CK，土壤水分含量為試驗用土最大田間持水量的75%)、輕度干旱脅迫(W1，土壤水分含量為試驗用土最大田間持水量的60%)、中度干旱脅迫(W2，土壤水分含量為試驗用土最大田間持水量的45%)、重度干旱脅迫(W3，土壤水分含量為試驗用土最大田間持水量的30%)。架設防雨棚以防止自然降水對土壤水分的影響，于每日16：00用電子天平稱質量，從而控制土壤含水量。7月10日各處理的土壤含水量達到標準，分別于該日之后5、10、15、20 d時取植株中上部葉片測定各項指標。

1.3 測定方法

細胞質膜相對透性和丙二醛(MDA)含量采用孔祥生等的方法[7]測定；過氧化氫(H2O2)含量采用Jiang等的方法[8]測定；超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用王學奎的方法[9]測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用李合生的方法[10]測定；谷胱甘肽還原酶(GR)活性采用單長卷等的方法[5]測定；還原型抗壞血酸(AsA)含量采用Hodges的方法[11]測定；還原型谷胱甘肽(GSH)含量采用Griffith的方法[12]測定。

1.4 數據處理

對采集的數據采用SPSS 19.0進行統計分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)檢驗不同土壤干旱脅迫處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對紫丁香細胞質膜相對透性的影響

質膜的相對透性常用相對電導率表示，電導率越高表示細胞膜傷害程度越重。如圖1所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香的相對電導率在脅迫20 d時與CK相比顯著上升(P<0.05)，其余處理時間差異不顯著。在中度干旱脅迫10～20 d時，紫丁香的相對電導率與對照處理間差異顯著(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，紫丁香的相對電導率在整個脅迫過程中始終與對照處理間差異顯著(P<0.05)，同時也顯著高于輕度、中度干旱脅迫處理(P<0.05)，脅迫20 d時相對電導率已經達到對照處理的2.2倍。

2.2 干旱脅迫對紫丁香丙二醛、過氧化氫含量的影響

如圖2、圖3所示，在干旱脅迫下，紫丁香的MDA、H2O2含量隨著脅迫時間的延長和脅迫程度的加劇而不斷上升。在輕度干旱脅迫10～20 d時，MDA含量與對照處理間差異顯著(P<0.05)；在輕度干旱脅迫15～20 d時，H2O2含量與對照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度、重度干旱脅迫下，紫丁香的H2O2、MDA含量在脅迫過程中始終顯著高于對照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)。

2.3 干旱脅迫對紫丁香抗氧化酶活性的影響

如圖4-A所示，在輕度干旱脅迫下，隨著脅迫時間的延長，紫丁香SOD活性呈上升趨勢，在脅迫處理10～20 d時，與對照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度、重度干旱脅迫下，SOD活性先上升后下降，在中度干旱脅迫下，SOD活性在脅迫15 d后開始下降，但始終顯著高于對照處理(P<0.05)；在重度干旱脅迫下，SOD活性在脅迫處理10 d時達到最高值，為102.5 U/(min·g)，此后開始迅速下降，在脅迫20 d時SOD活性仍顯著高于對照處理(P<0.05)，但顯著低于輕度、中度干旱脅迫處理(P<0.05)。

如圖4-B所示，紫丁香的CAT活性在輕度干旱脅迫下始終保持上升趨勢，且與對照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，CAT活性先上升后下降，在處理15～20 d時高于其他各組處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，CAT活性在處理10 d時達到最高，隨后迅速下降，在脅迫20 d時顯著低于輕度、中度干旱脅迫處理(P<0.05)，但仍顯著高于對照處理(P<0.05)。

如圖4-C所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香的POD活性呈現上升趨勢，在處理15～20 d時與對照處理間差異顯著(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，POD活性先上升后下降，在處理 15 d 時達到最高，POD活性始終顯著高于對照處理與輕度干旱脅迫處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，在處理5～10 d時，POD活性顯著高于其他各組處理(P<0.05)；在處理15 d時，POD活性仍顯著高于對照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)，但低于中度干旱脅迫處理；在處理20 d時，POD活性仍顯著高于對照處理(P<0.05)，低于中度干旱脅迫處理，且差異顯著(P<0.05)。

2.4 干旱脅迫對紫丁香抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶活性的影響

如圖5-A所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香APX活性在脅迫5～20 d內始終保持上升趨勢，在脅迫10～20 d與對照處理差異顯著(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，APX活性在脅迫5～15 d呈逐漸上升趨勢，在脅迫5～20 d內，APX活性均顯著高于對照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，APX活性在脅迫5～10 d時，顯著高于其余各組處理(P<0.05)；此后，隨著脅迫時間的延長，紫丁香APX活性開始下降，在脅迫15 d時，紫丁香的APX活性已比脅迫10 d時下降6.4%，但仍與輕度干旱脅迫處理和對照處理間差異顯著(P<0.05)；在脅迫 20 d 時，APX活性進一步降低，已顯著低于中度干旱脅迫處理(P<0.05)，但仍顯著高于對照處理(P<0.05)。

如圖5-B所示，在輕度干旱脅迫下，紫丁香的GR活性于處理15～20 d時顯著高于對照處理(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，GR活性呈現先上升后下降的趨勢，在脅迫15 d時達到最高；GR活性始終顯著高于對照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)；在處理15～20 d時顯著高于重度干旱脅迫處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，GR活性先上升后下降，但始終顯著高于對照處理(P<0.05)；在脅迫5～15 d時，GR活性顯著高于輕度干旱脅迫處理(P<0.05)，但在脅迫20 d時二者間已無顯著差異；在脅迫5～10 d時，GR活性隨脅迫時間的延長而上升，且顯著高于中度干旱脅迫處理(P<0.05)；但脅迫15～20 d時，GR活性迅速下降，且顯著低于中度干旱脅迫處理(P<0.05)。

2.5 干旱脅迫對紫丁香還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽含量的影響

如圖6所示，在輕度干旱脅迫下，隨著脅迫時間的延長紫丁香的AsA、GSH含量呈上升趨勢，且隨著脅迫時間的延長，AsA、GSH含量上升的速度加快；在脅迫15～20 d時，AsA、GSH含量均顯著高于對照處理(P<0.05)。在中度干旱脅迫下，紫丁香葉片的AsA、GSH含量均呈現先上升后下降的趨勢；在脅迫15 d時，AsA、GSH含量均達到最高值，且與其他各組處理間差異顯著(P<0.05)；在脅迫20 d時，AsA含量顯著高于對照處理與重度干旱脅迫處理(P<0.05)，GSH含量仍顯著高于其他各組處理(P<0.05)。在重度干旱脅迫下，紫丁香的AsA、GSH含量在干旱脅迫10 d內呈上升趨勢，隨后開始迅速下降；在脅迫10 d時，AsA、GSH含量顯著高于其他各組處理(P<0.05)；在脅迫 15～20 d時，AsA含量開始迅速下降，到脅迫20 d時，AsA含量已顯著低于其余各組處理(P<0.05)；GSH含量在脅迫15 d時，仍顯著高于對照處理和輕度干旱脅迫處理(P<0.05)，但顯著低于中度干旱脅迫處理(P<0.05)，在脅迫20 d時，仍顯著高于對照處理(P<0.05)，但顯著低于其他2組脅迫處理(P<0.05)。

3 討論與結論

在植物的生長發育過程中，干旱脅迫往往是最常見的逆境之一，植物會產生一系列的生理活動以響應和適應干旱脅迫[13]。植物質膜相對透性是反映細胞膜結構和功能的重要指標，干旱脅迫下植物細胞質膜相對透性的增加往往是由細胞過氧化引起的[14]。本研究中紫丁香質膜相對透性與干旱脅迫的強度及脅迫時間長度整體呈正相關關系，表明高強度的干旱脅迫破壞了紫丁香細胞膜結構的完整性，造成質膜相對透性的增加，影響了細胞的代謝和功能，從而誘導紫丁香各器官發生不良反應。

植物體內活性氧的積累是干旱脅迫導致植物質膜損傷和質膜透性提高的根本原因[15]，因此干旱脅迫下植物細胞膜受損程度可以通過測量植物體內MDA、H2O2含量進行衡量，質膜過氧化程度越高，MDA、H2O2含量則越高[16]。干旱脅迫下，植物體內的MDA、H2O2含量逐漸上升，但不同植物種類間存在差異，抗旱能力強的植物體內的這2種物質的增速較慢，增幅較小，而抗旱性弱的增加幅度較大[17-20]。本研究中在輕度干旱脅迫5 d時，紫丁香的MDA、H2O2含量均與對照處理差異不顯著，而在脅迫10 d時，MDA、H2O2含量均上升，且MDA含量與對照處理間差異顯著，說明此時干旱脅迫已對植物造成了一定程度的傷害；在中度、重度干旱脅迫下紫丁香損傷更嚴重，其體內的MDA、H2O2含量始終顯著高于對照處理。

在干旱脅迫下，植物對體內活性氧的清除能力是衡量植物耐旱性的重要因素，抗氧化酶可以降低植物體內活性氧的累積，減緩氧化速度，有效抑制自由基氧化損傷[21-22]。SOD、CAT和POD是植物細胞內重要的抗氧化保護酶，對緩解干旱脅迫下植物體內的過氧化損傷和保持細胞膜結構、功能的完整性有重要作用[23]。干旱脅迫下，植物的抗旱能力與其體內的SOD、CAT、POD活性密切相關[23-26]，抗旱性強的植物可以維持較高SOD、CAT、POD活性以緩解干旱脅迫所造成的活性氧傷害[27]。在一定時間和強度的干旱脅迫下植物SOD、CAT、POD活性會上升，而當脅迫時間和強度超過了植物的耐受范圍則酶活性會下降[27]，這與本研究所獲得的紫丁香的這3種抗氧化酶活性在不同強度干旱脅迫下的變化趨勢基本一致。說明在長時間和高強度的干旱脅迫下植物的抗逆性下降，作為植物防御體系的抗氧化酶活性也隨之下降。

還原型抗壞血酸(AsA)是植物體內含量最豐富的抗氧化劑之一，可以氧化還原過氧化氫，減少自由基的生成[28-29]。APX對AsA的合成和循環代謝起重要作用，保持其代謝活性可以有效提高植物體內AsA含量，因此，APX是植物體內抗氧化的重要酶類[23，30]。本研究結果表明，通過提高還原型抗壞血酸的合成代謝活性，紫丁香幼苗在輕度干旱脅迫下可以有效地增強自身抗性，緩解脅迫傷害。但隨著干旱脅迫程度的加劇，紫丁香的APX活性也迅速下降，并破壞了AsA的正常代謝，使其含量降低，這與馬玉華等研究的蘋果APX活性和AsA含量在不同強度干旱脅迫下的變化趨勢[31]相一致，進一步表明在中度、重度干旱脅迫下紫丁香抗逆性下降。

GSH是植物體內重要的抗氧化劑[32]，其功能是清除植物體內的H2O2，修復過氧化所致的細胞壁損傷，此外GSH對保持蛋白質或酶的活性以及細胞膜的完整性有積極作用[33]。在植物體內，GR可以調控植物體內的GSH水平，并使細胞保持在還原狀態，因此，在干旱脅迫響應中具有重要作用[31]。本研究結果表明，在輕度干旱脅迫下紫丁香的GSH含量和GR活性均上升，但當脅迫強度加劇時，隨著脅迫時間的延長GSH含量和GR活性先增加后降低。說明紫丁香幼苗只可以在一定強度和短時間內的干旱脅迫下，通過提高GR活性來增加GSH含量，從而提高紫丁香對干旱脅迫的耐受性，這與李州等研究的白三葉(Trifoliumrepens)葉片可通過提高GR活性和GSH含量來緩解其體內過氧化傷害的結果[34]基本一致。

根據以上分析，紫丁香幼苗可以在一定時間內(20 d)有效地抵御輕度干旱脅迫(土壤水分含量為試驗用土最大持水量的60%)所造成的氧化脅迫，但隨著脅迫程度的加強其抗氧化系統抵御嚴重干旱的能力會嚴重下降。